La ricerca in Cina ha dimostrato che un componente di circuito ibrido comune ha il potenziale per l'uso come microattuatore. Gli MLCC di livello industriale testati mostrano un'isteresi sorprendentemente ridotta, suggerendo che potrebbero essere di interesse in molte applicazioni di microattuazione, inclusa la nanoposizione per i microscopi a scansione di sonda.

Opzioni limitate

La microattivazione utilizzata per il nanoposizionamento è importante per gli strumenti di nanotecnologia come il microscopio a scansione di sonda (SPM), che fanno uso di sistemi di nanoposizionamento di microattuatori con risoluzioni inferiori a un nanometro e corse di diversi micrometri per consentire ai ricercatori di studiare oggetti a livello molecolare e atomico.

I microattuatori sono normalmente realizzati con materiali piezoceramici o elettrostrittori. Uno dei problemi principali con le unità piezoelettriche è il comportamento isteretico tra la tensione applicata e lo spostamento meccanico in uscita. Ciò limita il loro uso in applicazioni di tracciamento dello spostamento ad alta precisione. Sono state sviluppate strategie di controllo per superare queste limitazioni, ma nessuna ha fornito prestazioni soddisfacenti per quanto riguarda tutte le problematiche coinvolte, cioè velocità, risoluzione, robustezza e complessità. Dispositivi elettrostrittivi, d'altra parte, soffrono molto meno di isteresi ma sono limitati dalla grande sensibilità alla temperatura e da una relazione di deformazione del campo altamente non lineare.

Uso non comune

Un team della University of Science and Technology of China (USTC) di Hefei crede di aver trovato una soluzione alternativa in un componente elettronico comunemente usato:il condensatore ceramico multistrato (MLCC). Gli MLCC sono componenti elettronici fondamentali, in genere costituiscono il 30% degli elementi in un circuito ibrido. Sono costituiti da un blocco di ceramica monolitico che circonda elettrodi sinterizzati a pettine, con un contatto elettrico costituito da strati metallici bruciati. Ci sono diverse classi, definito dal tipo di materiale dielettrico ceramico utilizzato, e sono i membri degli MLCC di Classe II che hanno catturato l'attenzione del team USTC, quelli conosciuti con la denominazione X7R.

Gli MLCC X7R utilizzano principalmente ceramiche ferroelettriche che mostrano effetti piezoelettrici. Però, quando usati come micro-attuatore mostrano molto poco del comportamento isteretico associato ai materiali piezoelettrici. "Il comportamento quasi privo di isteresi degli attuatori X7R MLCC proposti consente semplici manipolazioni in anello aperto, applicazioni di tracciamento dello spostamento ad alta precisione. Non richiedono polarizzazione e hanno uno spostamento lineare molto migliore e una minore sensibilità alla temperatura rispetto ai materiali elettrostrittivi tradizionali. Gli attuatori MLCC sembrano combinare i vantaggi dei tradizionali attuatori piezoelettrici ed elettrostrittivi, ", ha detto il membro del team, il dottor Zhihua Feng.

Poiché gli MLCC condividono una struttura impilata con attuatori stack piezoelettrici, ma con strati dielettrici molto più sottili, il team sospettava che la forza elettrostatica generata all'interno dei condensatori potesse essere in grado di deformarli. Ma i loro esperimenti hanno mostrato che sono state generate solo deformazioni di estensione, indipendentemente dalla polarità della tensione applicata, ei calcoli hanno mostrato che le forze elettrostatiche erano troppo deboli per produrre la deformazione osservata. Così, hanno teorizzato che un effetto piezoelettrico inverso potrebbe essere all'opera, ma gli esperimenti hanno mostrato che l'effetto piezoelettrico negli MLCC era piuttosto debole. "Dal momento che gli MLCC non erano stati polarizzati, potrebbe essere la tensione di polarizzazione che ha indotto la polarizzazione netta negli MLCC e ciò è stato confermato dall'effetto piezoelettrico significativamente potenziato con una polarizzazione CC applicata sugli MLCC. A questo punto, assumiamo che la polarizzazione netta negli MLCC sia dovuta alla tensione di polarizzazione CC e che l'effetto piezoelettrico inverso esista in quello stato, " ha detto Feng.

Capacità utili

In primo luogo, il team ritiene che l'approccio del microattuatore MLCC possa essere utile per i singoli ricercatori che necessitano di alta precisione, facile da controllare, fasi di nanoposizionamento a basso costo per assistere i loro studi. Poiché gli MLCC sono realizzati per essere utilizzati come condensatori, la piezoelettricità non è un punto focale nella loro produzione, quindi può variare da un'unità all'altra. Per un uso su larga scala, sarebbero necessari test completi per studiare questa variabilità e per una migliore comprensione di questo fenomeno e dei suoi meccanismi.

Poiché solo gli MLCC ceramici ferroelettrici ad alta costante dielettrica hanno il comportamento richiesto, capacità elevate sono una caratteristica necessaria degli attuatori MLCC. Ciò limiterebbe le applicazioni che richiedono un'attuazione rapida, poiché la corrente di pilotaggio potrebbe essere troppo alta. Ma questo lascia molte potenziali applicazioni. Il team dell'USTC sta studiando questi attuatori per la fase di scansione laterale di un microscopio a forza atomica commerciale, e hanno ottenuto immagini sperimentali iniziali. "Proprio adesso, uno dei nostri obiettivi principali è migliorare le prestazioni di una tipica SPM. Ma gli MLCC potrebbero anche fungere da elementi di rilevamento della forza o persino componenti per la raccolta di energia, devono essere fatte valutazioni sul potenziale dei condensatori. Vorremmo studiare la possibilità di utilizzare MLCC in ogni area in cui viene utilizzato un piezoelemento tradizionale, per beneficiare della bassa tensione di pilotaggio e dei costi, " ha detto Feng.

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